• 文章导读

随着对高速、低延迟通信需求的持续增长，传统无线通信技术面临频谱拥堵、部署成本高等局限，自由空间光通信 (FSO) 凭借其高数据速率、无电磁干扰、无需频谱授权、部署灵活等优势，成为支撑下一代无线网络的极具潜力的解决方案。FSO 利用光信号在大气或自由空间中传输数据，可实现从短距离室内连接到长距离卫星通信的广泛应用，尤其适用于光纤难以部署的场景 (如城市最后一公里、跨建筑链路、卫星—地面通信等)。

本综述系统梳理了 FSO 通信的核心技术体系，全面分析了当前面临的主要挑战，探讨了 AI 驱动优化、混合技术集成等新兴趋势，并展望了未来研究方向。通过整合关键实验数据与典型架构图表，为 FSO 在 5G 及下一代通信网络中的应用提供了全面参考，旨在推动 FSO 技术从实验室走向实际部署，实现高可靠性、大容量的无线通信。

• 研究内容

一、FSO 通信系统基础架构

FSO 通信系统本质上是基于视距 (LoS) 的光信号传输系统，核心由发射器、信道、接收器三部分组成，其整体架构与关键组件如图 1 所示。

图1. 典型 FSO 系统框图：信息源经发射器处理后通过 FSO 信道传输，接收器完成信号解调与数据恢复。

一个FSO系统主要由三个基本组件组成：发射器 (Tx-信源)、信道和接收器 (Rx-信宿)。这些组件中的每一个都在确保光信号在自由空间中成功传输方面起着关键作用。

二、FSO 通信的核心挑战

FSO 系统的性能主要受大气环境与系统自身特性制约，核心挑战集中在以下方面：

1. 大气相关干扰

大气衰减：雨、雾、霾等天气条件会导致光信号吸收与散射，可使信号功率急剧下降；气溶胶与大气分子也会造成持续衰减。

大气湍流 (AT)：大气温度、湿度、气压的随机变化导致折射率波动，引发光束漂移、扩展、闪烁与相位畸变，是长距离 FSO 通信的主要性能限制因素。

2. 对准与指向精度问题

FSO 依赖窄波束视距传输，收发端对准偏差 (指向误差) 会导致信号损耗甚至链路中断。偏差来源包括：

静态偏差：安装误差、建筑物晃动、平台振动；

动态偏差：移动终端 (如无人机、高速列车) 的运动、大气湍流引发的波束漂移。

为缓解该问题，需采用指向、捕获与跟踪 (PAT) 机制，结合快速转向镜、云台等组件实现实时对准。

3. 可靠性与安全隐患

窃听风险

干扰攻击

物理阻塞

三、FSO 通信的关键使能技术

为应对上述挑战，学界开发了一系列使能技术，核心包括以下类别 (如图 2 所示)：

图2. 大气湍流缓解技术分类：物理层技术、上层技术与混合技术协同作用。

在快速发展的 FSO 通信领域，各种赋能技术对于增强系统性能和可靠性至关重要。本文深入探讨关键技术，如自适应光学、高级调制方案、孔径平均、空间分集、协作中继、自适应传输方法和稳健的纠错码。

• 研究总结

本研究系统梳理了 FSO 的技术体系，明确了大气湍流、指向误差、安全威胁等核心挑战，总结了自适应光学、先进调制、混合系统、AI 优化等关键使能技术的原理与性能。研究表明，通过多技术协同 (如 AO + 孔径平均 + 混合系统) 与 AI 驱动优化，FSO 系统可有效缓解环境干扰，实现高可靠传输；新兴的中红外通信、OAM 复用、量子密码学集成等技术进一步拓展了 FSO 的应用边界。然而，FSO 的大规模部署仍需解决标准化、成本控制、移动场景适配等问题。FSO未来的研究方向包括：

智能协同优化：融合 AI 与边缘计算，实现 FSO 网络的动态资源分配、路由优化与故障自愈；

新型材料与器件：开发高灵敏度光电探测器、低功耗激光器、柔性光学组件，拓展应用场景；

空天地一体化网络：将 FSO 与卫星通信、无人机中继结合，构建覆盖地面、空中、空间的立体通信网络；

安全增强技术：结合物理层安全 (如波束成形、空间加密) 与量子密码学，构建多层次安全体系。

未来，随着材料科学、人工智能与通信技术的深度融合，FSO 将在空天地一体化网络、超高速无线回传、安全通信等领域发挥关键作用，成为支撑万物互联的核心通信技术之一。持续推进湍流抑制技术、低成本集成方案与标准化工作，是 FSO 技术从实验室走向实际应用的关键路径。

原文链接：https://www.mdpi.com/1424-8220/24/24/8036?wechat=23275&_utm_from=5c16f196a9

• Sensors 期刊介绍

主编：Vittorio M. N. Passaro, Politecnico di Bari, Italy

期刊涵盖所有传感器科学和技术研究领域，例如物理传感器、智能传感器、传感网络、生物传感器、化学传感器、雷达、可穿戴电子设备和先进的传感材料及其在物联网、工业、农业、环境、遥感、导航、通信、车辆、成像、生物医药等领域的应用。目前期刊已被SCIE (Web of Science)、PubMed、EI Compendex、Scopus等数据库收录。

2024 Impact Factor：3.5

2024 CiteScore：8.2

Time to First Decision：17.8 Days

Acceptance to Publication：2.6 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/sensors